CN111143931B - 一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法 - Google Patents

一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法，包括如下步骤：确定砌体结构特性和地震动特性参数及其概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成地震‑结构样本库；分析砌体结构概率抗震能力，确定结构最大层间弹塑性位移角能力限值及其概率分布；分析砌体结构概率抗震需求，采用非迭代静力计算方法确定结构最大层间弹塑性位移角需求及其概率分布；通过结构概率抗震能力和概率抗震需求计算地震反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。本发明采用非迭代静力弹塑性方法计算砌体结构的易损性曲线，可以有效避免迭代计算，计算效率高，同时可准确评定砌体结构在地震作用下的抗震性能。

Description

一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法
技术领域：
本发明涉及抗震性能评估技术领域，具体而言，本发明尤其涉及一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法。
背景技术：
基于性能的抗震设计方法通过设定适当的抗震性能目标进行结构抗震设计，使结构在不同强度地震作用下的损伤程度和经济损失满足业主的要求。美国太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center,PEER)提出的基于性能的地震工程全概率决策框架将结构的抗震性能评估分为四部分研究内容，其中地震易损性是其中一个重要组成部分。易损性从概率的角度定量的描述建筑结构的抗震性能，更直观地反映出地震动强度与建筑结构破坏程度之间的关系，也为结构抗震加固、风险评估等研究提供必要的依据。
建立砌体结构地震易损性曲线的方法可分为三种：第一种主要采用经验法(震害调查法、专家调查法等)获得统计意义上结构的易损性曲线或易损性矩阵；第二种主要采用概率性分析方法(Monte Carlo法、拉丁超立方等)和非线性时程分析法对结构在地震下的反应(位移、延性、损伤指数等)进行分析，并与采用损伤指标(位移、延性、损伤指数等)划分结构的损伤状态水平进行对比和统计分析，进而得到结构的易损性曲线；第三种是采用多种概率性分析方法和多种新型分析方法(非线性静力推覆分析法、能力谱法等)对结构进行地震易损性分析。
砌体结构是我国城镇建筑的主要结构形式之一，量大面广，不同年代的经济状况不同，城镇砌体结构的设计方法和抗震措施不同，导致各类砌体结构抗震能力差异较大。现行基于性能的抗震性能评估方法中并没有考虑不同构造砌体结构性能水平的差异，因此不能准确评估砌体结构的抗震性能。根据抗震措施的差异将多层砌体结构分为五个抗震措施类别，以静力非线性分析方法为基础，提出了新的砌体结构易损性分析方法，可为城镇多层砌体结构的抗震性能评估、直接经济损失估计提供依据。
发明内容：
本发明提供了一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法，该方法计算效率高，同时保持了计算的准确度，可有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法，包括如下步骤：
步骤S1、确定砌体结构特性和地震动特性参数及其概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成地震-结构样本库；
步骤S2、分析砌体结构概率抗震能力，根据抗震措施类别砌体结构的性能水平，确定结构最大层间位移角能力限值θc及变异系数βc；
步骤S3、分析砌体结构概率抗震需求，采用非迭代静力计算方法确定结构最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002336569040000021
及变异系数βd；
步骤S4、通过结构概率抗震能力和概率抗震需求计算地震反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。
优选地，所述步骤S1中生成的地震-结构样本库包括如下步骤：
步骤S1-1、确定结构和地震动的随机变量，包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、地震动强度、特征周期，并确定其概率分布模型和变异系数；
步骤S1-2、根据各参数的概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成随机的地震-结构样本库。
优选地，根据抗震措施类别将砌体结构分为五类：
A类措施，按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，除按现行标准要求设置圈梁外，在下列部位设置构造柱：外墙四角及对应转角，错层部位横墙与外纵墙交接处，大房间内外墙交接处，较大洞口两侧，楼、电梯间四角，楼梯斜梯段上下端对应墙体处；
C类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处，隔12～15m或单元横墙与外纵墙交接处；
D类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：隔开间横墙轴线与外墙交接处，山墙与内纵墙交接处；
E类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：内墙轴线与外墙交接处，内纵墙与横墙轴线交接处，内墙的局部较小墙垛处。
优选地，所述步骤S1中确定结构最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002336569040000031
包括如下步骤：
步骤S3-1、根据多层砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，由楼层屈服强度系数最小值确定结构薄弱层，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξi,min；
步骤S3-2、根据结构基本周期T0,e，计算等效单自由度体系结构的有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff；
步骤S3-3、根据有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff，计算结构位移的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C；
步骤S3-4、根据上述得到的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp；
步骤S3-5、根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构最大层间位移角需求θmax；
步骤S3-6、重复步骤S3-1至步骤S3-5，计算所有地震-结构样本的最大弹塑性层间位移角需求，得到最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002336569040000032
及变异系数βd。
优选地，所述步骤S3-1中各楼层屈服强度系数ξi的计算过程为：
Figure BDA0002336569040000033
其中，ξi为i层的楼层屈服强度系数，n为结构总层数，α为罕遇或设防烈度地震的地震影响系数，ρi为i层计算方向的墙率(楼层高度1/2处该方向墙体面积与单层建筑面积之比)，与计算方向直交方向的墙率为ρ’i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数(以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012)，f2,i为i层砌筑砂浆强度，i为砌体结构建筑的楼层数。
优选地，所述步骤S3-2中结构基本周期T0,e、有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff的计算公式分别为：
T0,e＝0.02(H+1.2)
Figure BDA0002336569040000041
Figure BDA0002336569040000042
Figure BDA0002336569040000043
其中，H为房屋高度(m)，Tg为场地卓越周期，ζ0为结构弹性粘滞阻尼系数。
优选地，所述步骤S3-3中阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C计算公式分别为：
Figure BDA0002336569040000044
Figure BDA0002336569040000045
优选地，所述步骤S3-4中屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp计算公式分别为：
Figure BDA0002336569040000046
Figure BDA0002336569040000047
其中，g为重力加速度。
优选地，所述步骤S3-5中，结构最大层间位移角需求θmax的计算过程为：
结构薄弱层屈服位移需求为
Figure BDA0002336569040000048
其中，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数，
对于不规则的多层砌体结构，假定其整体结构的塑性位移完全由薄弱层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
δp＝δy+(Sdp-Sdy)
对于较规则的多层砌体结构，假定整体结构的塑性位移大部分由薄弱层产生，小部分由薄弱层相邻层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
Figure BDA0002336569040000051
结构最大层间位移角需求θmax为
Figure BDA0002336569040000052
优选地，所述步骤S4中，通过结构概率抗震能力和概率抗震需求计算地震反应需求的超越概率的计算过程为：
结构抗震能力θc和地震响应需求θmax均服从对数正态分布，超越概率为
Figure BDA0002336569040000053
式中，LSi为对应于结构性能水平的量化指标限值。
与现有技术相比，本发明的一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法主要具有如下有益效果：
本发明在基于最大位移点等效周期的非迭代等效线性化方法的基础上，根据多层砌体结构薄弱层破坏的特点，建立了既有砌体结构基于延性的抗震性能评定方法，与现有技术相比，本发明的性能评估方法在计算方便、效率高的情况下，准确评定砌体结构的抗震性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明：
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一实施例中，一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法的整体工作流程示意图；
图2为本发明一实施例中，一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法的具体评估过程示意图。
具体实施方式：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1和图2，本发明公开了一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、确定砌体结构特性和地震动特性参数及其概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成地震-结构样本库；
步骤S1-1、确定结构和地震动的随机变量，包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、地震动强度、特征周期，并确定其概率分布模型和变异系数；
步骤S1-2、根据各参数的概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成随机的地震-结构样本库。
步骤S2、分析砌体结构概率抗震能力，根据抗震措施类别砌体结构的性能水平，确定结构最大层间位移角能力限值θc及变异系数βc；
结构层间位移角可表征结构不同的性能水准，而不同抗震措施类别对砌体结构抗震性能影响较大。因此，根据抗震措施类别将砌体结构分为五类：
A类措施，按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，除按现行标准要求设置圈梁外，在下列部位设置构造柱：外墙四角及对应转角，错层部位横墙与外纵墙交接处，大房间内外墙交接处，较大洞口两侧，楼、电梯间四角，楼梯斜梯段上下端对应墙体处；
C类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处，隔12～15m或单元横墙与外纵墙交接处；
D类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：隔开间横墙轴线与外墙交接处，山墙与内纵墙交接处；
E类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：内墙轴线与外墙交接处，内纵墙与横墙轴线交接处，内墙的局部较小墙垛处。
不同的性能水准对应的砌体结构的最大层间位移延性系数如表1。
表1砌体结构性能水平
Figure BDA0002336569040000071
步骤S3、分析砌体结构概率抗震需求，采用非迭代静力计算方法确定结构最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002336569040000072
及变异系数βd；
其具体过程为：
步骤S3-1、根据多层砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，由楼层屈服强度系数最小值确定结构薄弱层，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξi,min；
所述步骤S3-1中各楼层屈服强度系数ξi的计算过程为：
Figure BDA0002336569040000073
其中，ξi为i层的楼层屈服强度系数，n为结构总层数，α为罕遇或设防烈度地震的地震影响系数，ρi为i层计算方向的墙率(楼层高度1/2处该方向墙体面积与单层建筑面积之比)，与计算方向直交方向的墙率为ρ’i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数(以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012)，f2,i为i层砌筑砂浆强度，i为砌体结构建筑的楼层数。
步骤S3-2、根据结构基本周期T0,e，计算等效单自由度体系结构的有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff；
所述步骤S3-2中结构基本周期T0,e、等效单自由度体系的有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff的计算公式分别为：
T0,e＝0.02(H+1.2)
Figure BDA0002336569040000081
Figure BDA0002336569040000082
Figure BDA0002336569040000083
其中，H为房屋高度(m)，Tg为场地卓越周期，ζ0为结构弹性粘滞阻尼系数。
步骤S3-3、根据有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff，计算结构位移的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C；
所述步骤S3-3中阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C计算公式分别为：
Figure BDA0002336569040000084
Figure BDA0002336569040000085
步骤S3-4、根据上述得到的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp；
所述步骤S3-4中屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp计算公式分别为：
Figure BDA0002336569040000086
Figure BDA0002336569040000087
其中，g为重力加速度。
步骤S3-5、根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构最大层间位移角需求θmax；
所述步骤S3-5中结构最大层间位移角需求θmax的计算过程为：
结构薄弱层屈服位移需求为
Figure BDA0002336569040000088
其中，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数，
对于不规则的多层砌体结构，假定其整体结构的塑性位移完全由薄弱层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
δp＝δy+(Sdp-Sdy)
对于较规则的多层砌体结构，假定整体结构的塑性位移大部分由薄弱层产生，小部分由薄弱层相邻层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
Figure BDA0002336569040000091
结构最大层间位移角需求θmax为
Figure BDA0002336569040000092
步骤S3-6、重复步骤S3-1至步骤S3-5，计算所有地震-结构样本的最大弹塑性层间位移角需求，得到最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002336569040000093
及变异系数βd。
步骤S4、通过结构概率抗震能力和概率抗震需求计算地震反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。
所述结构抗震能力θc和抗震需求θmax均服从对数正态分布，超越概率为
Figure BDA0002336569040000094
式中，LSi为对应于结构性能水平的量化指标限值。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于增量静力方法的非迭代砌体结构易损性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、确定砌体结构特性和地震动特性参数及其概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成地震-结构样本库；
步骤S2、分析砌体结构概率抗震能力，根据抗震措施类别砌体结构的性能水平，确定结构最大层间位移角能力限值θc及变异系数βc；
步骤S3、分析砌体结构概率抗震需求，采用非迭代静力计算方法确定结构最大层间位移角需求均值
Figure FDA0003886091870000011
及变异系数βd；
步骤S4、通过结构概率抗震能力和概率抗震需求计算地震反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线；
所述生成的地震-结构样本库还包括如下步骤：
步骤S1-1、确定结构和地震动的随机变量，包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、地震动强度、特征周期，并确定其概率分布模型和变异系数；
步骤S1-2、根据各参数的概率分布模型，采用蒙特卡罗法生成随机的地震-结构样本库；
根据所述的抗震措施类别将砌体结构分为五类：
A类措施，按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，除按现行标准要求设置圈梁外，在下列部位设置构造柱：外墙四角及对应转角，错层部位横墙与外纵墙交接处，大房间内外墙交接处，较大洞口两侧，楼、电梯间四角，楼梯斜梯段上下端对应墙体处；
C类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处，隔12～15m或单元横墙与外纵墙交接处；
D类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：隔开间横墙轴线与外墙交接处，山墙与内纵墙交接处；
E类措施，除符合B类措施要求外，还在下列部位设置构造柱：内墙轴线与外墙交接处，内纵墙与横墙轴线交接处，内墙的局部较小墙垛处；
计算所述砌体结构的最大层间位移角需求还包括如下步骤：
步骤S3-1、根据多层砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，由楼层屈服强度系数最小值确定结构薄弱层，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξi,min；
步骤S3-2、根据结构基本周期T0,e，计算等效单自由度体系结构的有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff；
步骤S3-3、根据有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff，计算结构位移的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C；
步骤S3-4、根据上述得到的阻尼折减系数B和弹塑性位移增大系数C，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp；
步骤S3-5、根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构最大层间位移角需求θmax；
步骤S3-6、重复步骤S3-1至步骤S3-5，计算所有地震-结构样本的最大弹塑性层间位移角需求，得到最大层间位移角需求均值
Figure FDA0003886091870000021
及变异系数βd；
所述步骤S3-1中各楼层屈服强度系数ξi的计算过程为：
Figure FDA0003886091870000022
其中，ξi为i层的楼层屈服强度系数，n为结构总层数，α为罕遇或设防烈度地震的地震影响系数，ρi为i层计算方向的墙率，即楼层高度1/2处该方向墙体面积与单层建筑面积之比，与计算方向直交方向的墙率为ρ’i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数，即以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012，f2,i为i层砌筑砂浆强度，i为砌体结构建筑的楼层数；
所述步骤S3-2中结构基本周期T0,e、有效弹性周期Teff和有效阻尼比ζeff的计算公式分别为：
T0,e＝0.02(H+1.2)
Figure FDA0003886091870000023
Figure FDA0003886091870000024
Figure FDA0003886091870000025
其中，H为房屋高度(m)，Tg为场地卓越周期，ζ0为结构弹性粘滞阻尼系数；
所述步骤S3-3中所述阻尼折减系数B和所述弹塑性位移增大系数C的计算公式分别为：
Figure FDA0003886091870000031
Figure FDA0003886091870000032
所述步骤S3-4中所述屈服谱位移Sdy和所述弹塑性谱位移Sdp计算公式分别为：
Figure FDA0003886091870000033
Figure FDA0003886091870000034
其中，g为重力加速度；
所述步骤S3-5中，所述结构最大层间位移角需求θmax的计算过程为：
结构薄弱层屈服位移需求为
Figure FDA0003886091870000035
其中，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数，
对于不规则的多层砌体结构，假定其整体结构的塑性位移完全由薄弱层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
δp＝δy+(Sdp-Sdy)
对于较规则的多层砌体结构，假定整体结构的塑性位移大部分由薄弱层产生，小部分由薄弱层相邻层产生，薄弱层的弹塑性位移需求为
Figure FDA0003886091870000036
结构最大层间位移角需求θmax为
Figure FDA0003886091870000037
所述步骤S4中，通过所述结构概率抗震能力和所述概率抗震需求计算所述地震反应需求的超越概率的计算过程为：
结构抗震能力θc和地震响应需求θmax均服从对数正态分布，超越概率为
Figure FDA0003886091870000041
式中，LSi为对应于结构性能水平的量化指标限值。
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